Основные особенности стандартов IEEE 802.15.4 и ZigBee

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Факультет            Телекоммуникаций и измерительной техники

Кафедра              Сети связи

Специальность     Информационные сети связи

Реферат на тему

«Основные особенности стандартов IEEE 802.15.4 и ZigBee»

по дисциплине

«Беспроводные сенсорные сети»

Выполнила:                                                                              Приняла:

Ст.гр. ИССм-15-1                                                                             ст. преп. Власова В.А.

Баляба Л.А.

2016 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ  3

1 СТАНДАРТ IEEE 802.15.4 И ЕГО ПРОГРАММНАЯ НАДСТРОЙКА   4

2 АРХИТЕКТУРА ПРОТОКОЛА   6

3 МОДЕЛЬ СЕТИ   8

4 АРХИТЕКТУРА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ   12

ВЫВОДЫ   14

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК   15

ВВЕДЕНИЕ

Первенство в дуэте IEEE 802.15.4 и ZigBee принадлежит именно стандарту Института инженеров электротехники и электроники (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers). Формирование спецификации IEEE 802.15.4 началось в конце 90-х годов прошлого века в ответ на запросы рынка в специфическом средстве беспроводной связи в целях управления устройствами и связи с датчиками. По задумкам разработчиков, новый стандарт должен был обеспечить дальность соединения, сравнимую с WiFi, но при этом иметь меньшее энергопотребление. Для реализации выставленных требований пришлось пожертвовать скоростью передачи данных как наименее важным элементом в рамках данной задачи. В 2003 году была выпущена официальная спецификация, получившая статус стандарта IEEE. Для поддержки и развития стандарта, а также обеспечения взаимной совместимости устройств в рамках IEEE 802.15.4 в 2002 году был образован «Альянс ZigBee» (ZigBee Alliance). В Альянс вошел ряд компаний, которые и занялись совместной доработкой и продвижением нового стандарта недорогой беспроводной связи.

На сегодняшний день последняя версия стандарта IEEE 802.15.4 датирована декабрем 2005 года; ZigBee вплоть до спецификации 2007 года (ZigBee Document 053474r17) основаны на IEEE 802.15.4-2003. Последняя версия изменений к спецификации ZigBee датирована четвертым кварталом 2007 года (дата отражает время утверждения последнего комплекта изменений).

1 СТАНДАРТ IEEE 802.15.4 И ЕГО ПРОГРАММНАЯ НАДСТРОЙКА

В настоящее время одной из актуальных задач для систем промышленной телеметрии и домашней автоматизации остается вопрос передачи данных на небольшие расстояния. Беспроводные сети на базе стандарта IEEE 802.15.4 представляют собой альтернативу проводным соединениям в распределенных системах мониторинга и управления и отличаются более гибкой архитектурой, требуют меньших затрат при их установке и эксплуатации. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть (WSN, Wireless Sensor Networks) датчики образуют территориально-распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации.

IEEE 802.15.4 – стандарт, который определяет физический слой и управление доступом к среде для беспроводных персональных сетей с низким уровнем скорости. Стандарт поддерживается рабочей группой IEEE 802.15. Является базовой основой для протокола ZigBee [1, 2].

Основные параметры стандарта приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Спецификация стандарта IEEE 802.15.4

Стандарт	802.15.4/ZigBee
Частота	868 МГц	915 МГц	2,4 ГГц
Число каналов/шаг	1/-	10/2 МГц	16/5 МГц
География распространения	Европа	Америка	весь мир
Макс. скорость, модуляция	20 кбит/с, BPSK	40 кбит/с, BPSK	250 кбит/с, O-QPSK
Выходная мощность, ном.	0 дБм (1 мВт)	0 дБм (1 мВт)	0 дБм (1 мВт)
Дальность	10-100 м
Чувствительность (спецификация)	– 92 дБм	– 92 дБм	– 85 дБм

Продолжение таблицы 1.1

Размер стека	4-32 кбайт
Срок службы батареи	от 100 до 1000 и более дней
Размер сети	65536 (16-битные адреса), 264 (64-битные адреса)

На сегодняшний день ZigBee является наиболее молодой и перспективной технологией для построения беспроводных сетей с небольшими объемами передаваемой информации. Как уже отмечалось ранее, термин ZigBee был введен консорциумом, управляющим развитием и поддержкой стандарта IEEE 802.15.4.

Глобальная спецификация ZigBee для беспроводных приложений, основанная на едином стандарте 802.15.4, изначально нацелена и сфокусирована на приложениях мониторинга и контроля, распределенных сетях датчиков, на развертывании беспроводных информационных сетей для недорогих низкопотребляющих систем, использующихся в коммерческой, промышленной и домашней автоматике. Иначе говоря, основными областями применения технологии ZigBee являются беспроводные сенсорные сети, автоматизация жилья («Умный дом» и «Интеллектуальное здание»), медицинское оборудование, системы промышленного мониторинга и управления, а также бытовая электроника и «периферия» персональных компьютеров. Одним из основных преимуществ стандарта ZigBee/802.15.4 является простота установки и обслуживания подобных устройств [3, 4].

2 АРХИТЕКТУРА ПРОТОКОЛА

Стек протоколов ZigBee представляет собой иерархическую модель, построенную по принципу семиуровневой модели протоколов передачи данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни стандарта IEEE 802.15.4, отвечающие за реализацию канала связи, и программные сетевые уровни, и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией ZigBee.

Как относятся к друг другу спецификация ZigBee и стандарт IEEE 802.15.4 в рамках OSI показано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Конфигурация стека протокола ZigBee

Стандарт IEEE 802.15.4 для беспроводных низкоскоростных персональных сетей (WPAN, Wireless Personal Area Network) определяет два нижних уровня стека: физический уровень передачи данных в среде распространения PHY и уровень доступа к среде MAC [1].

Спецификация ZigBee-стека определяет сетевой уровень, уровни безопасности и доступа к приложению и может использоваться совместно с решениями на базе стандарта 802.15.4 для обеспечения совместимости устройств. Реализация беспроводной сети возможна и без использования ZigBee-стека. Любой собственный стек может использовать уровни MAC и PHY стандарта 802.15.4.

Альянс определяет программные уровни стека ZigBee от уровня канала передачи данных (Data Link Control) до уровня профилей устройств (ZigBee Profiles). Прием и передача данных по радиоканалу осуществляется на физическом уровне PHY, определяющем рабочий частотный диапазон, тип модуляции, максимальную скорость, число каналов (табл. 1.1). Уровень PHY осуществляет активацию-дезактивацию приемопередатчика, детектирование энергии принимаемого сигнала на рабочем канале, выбор физического частотного канала, индикацию качества связи при получении пакета данных и оценку свободного канала. Важно понимать, что стандарт 802.15.4 – это физическое радио (микросхема радио-приемопередатчика), а ZigBee – это логическая сеть и программный стек, обеспечивающие функции безопасности и маршрутизации.

Далее в структуре стека ZigBee следует уровень контроля доступа к среде IEEE 802.15.4 MAC, осуществляющий вход и выход из сети устройств, организацию сети, формирование пакетов данных, реализацию различных режимов безопасности (включая 128-битное шифрование AES), 16- и 64-битную адресацию.

Уровень MAC обеспечивает различные механизмы доступа в сеть, поддержку сетевых топологий от «точка-точка» до «многоячейковая сеть», гарантированный обмен данными (ACK, CRC), поддерживает потоковую и пакетную передачи данных. Для предотвращения нежелательных взаимодействий возможно использование временного разделения на основе протокола множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA-CA, Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance) [3].

3 МОДЕЛЬ СЕТИ

Стандарт определяет два типа узлов сети первый – полнофункциональное устройство (FFD, Full-Function Device). Оно может служить как координатор персональных сетей, так же может функционировать в качестве общего узла. Он реализует общую модель связи, которая позволяет переговариваться с другими устройствами, также может передавать дальше сообщения, в этом случае он называется координатором (координатор PAN, когда он отвечает за всю сеть).

Другой – устройства с ограниченными функциями (RFD, Reduced-Function Device). Определение означает чрезвычайно простые устройства с очень скромным ресурсом и требованиями к сети [1].

Таблица 3.1 – Отличия RFD и FFD устройств

Функционально-ограниченные устройства (RFD)	Полнофункциональные устройства (FFD)
При объединении RFD-устройств может применяется только топология «звезда»	При объединении FFD-устройств возможен любой тип соединений: «звезда», «кластерное дерево» и «многоячейковая сеть»
Не может использоваться как координатор сети	Может выступать в роли координатора, обеспечивающего маршрутизацию передаваемых данных в сети
Для обмена данными могут устанавливать соединение только с FFD-устройством (сетевым координатором)	Обмен данными с любым типом устройств: сетевой координатор, другое FFD-устройство и RFD-устройство
Требует минимальных объемов ОЗУ и ПЗУ для реализации частичной поддержки стандарта IEEE 802.15.4	Требует больший объем ОЗУ и ПЗУ для полной реализации стандарта IEEE 802.15.4
Основной способ питания – от батареи	Основной способ питания – от сети

Сети ZigBee строятся из базовых станций трех основных типов: координаторов, маршрутизаторов и конечных устройств.

Координатор запускает сеть и управляет ею. Он формирует сеть, выполняет функции центра управления сетью и доверительного центра (trust-центра) – устанавливает политику безопасности, задает настройки в процессе присоединения устройств к сети, ведает ключами безопасности.

Маршрутизатор транслирует пакеты, осуществляет динамическую маршрутизацию, восстанавливает маршруты при перегрузках в сети или отказе какого-либо устройства. При формировании сети маршрутизаторы присоединяются к координатору или другим маршрутизаторам, и могут присоединять дочерние устройства – маршрутизаторы и конечные устройства. Маршрутизаторы работают в непрерывном режиме, имеют стационарное питание и могут обслуживать «спящие» устройства. Маршрутизатор может обслуживать до 32 спящих устройств.

Конечное устройство может принимать и отправлять пакеты, но не занимается их трансляцией и маршрутизацией. Конечные устройства могут подключаться к координатору или маршрутизатору, но не могут иметь дочерних устройств. Конечные устройства могут переводиться в спящий режим для экономии заряда аккумуляторов. Именно конечные устройства имеют дело с датчиками, локальными контроллерами и исполнительными механизмами [5].

Стек ZigBee поддерживает разнообразные конфигурации сети и позволяет объединять устройства по следующим топологиям: «точка-точка», «звезда», «кластерное дерево» и «многоячейковая сеть». Сетевые функции стека обеспечивают сканирование сети для детектирования активных каналов, идентификацию устройств на активных каналах, создание сети на незадействованных каналах и объединение с существующей сетью в зоне персональной беспроводной сети, распознавание поддерживаемых сервисов согласно определенным профилям устройств, функции маршрутизации. Это позволяет устройствам автоматически входить в сеть и выходить из нее, исключает нежелательные последствия «сбоя в одной точке» за счет наличия нескольких маршрутов к каждому узлу [3].

Рисунок 3.1 – Топологии сетей 802.15.4/ZigBee

Сети могут быть одноранговыми (P2P, Peer-to-Peer, Point-to-Point), либо иметь топологию «звезда». Однако, любая сеть должна иметь по крайней мере один FFD, который будет работать как координатор сети. Таким образом, сети формируются из групп устройств, разделённых соответствующей дистанцией. Каждое устройство имеет 64-битный идентификатор, в некоторых случаях может использоваться 16-битный идентификатор внутри ограниченной области. Таким образом, внутри каждой персональной сети (PAN, Personal Area Network), для соединения будут использоваться краткие идентификаторы.

Одноранговые сети – соединения типа «точка-точка» – могут формировать произвольные структуры соединений и их расширения ограничены только дистанцией между каждой парой узлов. Они призваны служить в качестве основы для беспроводных самоорганизующихся сетей, способных к самоуправлению и организации. Так как стандарт не определяет сетевой уровень, маршрутизация не поддерживается напрямую, но такой дополнительный уровень может осуществить поддержку сетей с ретрансляторами.

Также могут быть добавлены дополнительные топологические ограничения: например, дерево кластеров – структура, в которой RFD может быть связанным только с одним FFD единовременно, таким образом, RFD являются исключительно листьями дерева, а большинство узлов являются FFD. Также возможна ситуация ячеистой топологии сети, чьи узлы являются сетями кластерных деревьев с локальным координатором для каждого кластера, помимо глобального координатора.

Ещё поддерживается более структурированная топология «звезда», где координатор сети обязательно должен быть центральным узлом. Такая сеть может возникнуть, когда FFD решает создать свою собственную персональную сеть (PAN) и объявить себя её координатором, после чего выбирается уникальный идентификатор для PAN. После этого другие устройства могут присоединиться к сети, которая полностью независима от других сетей с топологией «звезда» [1].

4 АРХИТЕКТУРА ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

IEEE 802.15.4 обеспечивает двустороннюю полудуплексную передачу данных (устройство может либо передавать, либо принимать данные), поддерживая при этом шифрование AES 128. Расширенная адресация в рамках IEEE 802.15.4 подразумевает использование 64-битных адресов, сетевые адреса ZigBee 16-ти битные, поэтому в каждой сети узлов не может быть больше, чем 2 в 16-той степени, то есть около 65 тыс. Устройства внутри сети могут играть одну из трех ролей: обыкновенного оконечного устройства (производящего обмен как с концентратором, так и с маршрутизаторами), ретранслятора (обеспечивающего прием и передачу данных) и концентратора (управляющего архитектурой сети). Оконечные устройства – устройства с ограниченной функциональностью – обеспечивают минимальный набор функций, позволяющий производителю экономить на комплектующих (в частности, памяти микроконтроллера). Оконечным узлом также может выступать и полнофункциональное устройство, к примеру, маршрутизатор. Ретранслятор, или устройство с полной функциональностью, поддерживает все функции, определенные в документе IEEE 802.15.4, может выполнять функции моста, маршрутизатора или шлюза для связи с другими сетями. Концентратор, или сетевой координатор, – наиболее дорогой тип устройств, так как он должен содержать всю информацию о сетевых соединениях, иметь большой объем памяти и высокую производительность.

Доступ к каналу IEEE 802.15.4 основан на принципе CSMA/CA. При этом коллизиям подвержены только jam-сигналы (сигналы о начале передачи). То есть, стандарт 802.15.4 не может использовать метод CSMA/CA для обнаружения коллизий – только для их предотвращения.

Когда устройство планирует начать передачу, оно слушает, не занят ли эфир. Если обнаруживается «чужой» сигнал, то передатчик «засыпает» на случайный промежуток времени, а затем снова пробует начать передачу. В таком случае одновременно передача может исходить только от одного устройства, что повышает производительность сети. Однако необходимость ожидания свободного канала сказывается на скорости обмена сообщениями. В связи с этим, стандарт IEEE 802.15.4 – не самая скоростная беспроводная связь; тем не менее, как упоминалось выше, стандарт имеет свою собственную, и весьма широкую, сферу применения. Данные передаются относительно небольшими пакетами, что специфично для сетей управления и мониторинга. Важной особенностью стандарта является обязательное подтверждение доставки сообщений.

Протокол передачи подразумевает «засыпание» передатчика при отсутствии данных для пересылки, обеспечивая низкое энергопотребление устройств, соединенных по стандарту IEEE 802.15.4. В результате время автономной работы оконечных устройств может измеряться годами. Важная особенность протокола в том, что подобные «засыпания» не сказываются на сохранении подключения. Создавая стандарт, основной упор делался на быстроту процессов конфигурирования и переконфигурирования сети; и разработчики в этом весьма преуспели. К примеру, переход приемника в активное состояние займет порядка 10-15 мс, а добавление устройства в сеть – от 30 мс. Скорость добавления устройств и переконфигурации зависит от того, постоянно ли маршрутизаторы «слушают» сеть. Поэтому, если нужно, чтобы добавление устройства происходило быстро, маршрутизатор не может находиться на автономном питании. Сети WiFi и Bluetooth не могут обеспечить такого быстродействия.

На основе стандарта IEEE 802.15.4 могут быть построены самые разнообразные сети всевозможных топологий с пакетной или потоковой передачей информации, а также своими параметрами шифрования [6].

ВЫВОДЫ

Беспроводные сети имеют ряд преимуществ, которыми они обладают по сравнению с «классическими» проводными сетями. На сегодняшний день чаще всего применяется как минимум три стандарта беспроводной связи по радиоканалу: GSM как отличное средство для телефонии, WiFi для домашних и офисных сетей и Bluetooth для подключения устройств и периферии. Однако этого набора стандартов недостаточно для оптимального решения всех «сетевых задач».

Во многих приложениях требуются беспроводные сети связи, не обладающие высокой скоростью передачи, но надежные, способные к самовосстановлению, простые в развертывании и эксплуатации. Особое внимание также уделяется и оборудованию таких сетей, чтобы оно допускало длительную работу от автономных источников питания, имело низкую стоимость и было компактным. Именно таким требованиям отвечают стандарты IEEE 802.15.4 и ZigBee, описывающие устойчивые масштабируемые многошаговые беспроводные сети, простые в развертывании и поддерживающие самые разные приложения.

На сегодняшний день стандарт ZigBee имеет стоимость устройств значительно ниже конкурентов, а также продвигается большим числом компаний и имеет все шансы получить широкое распространение.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1.  Стандарт IEEE 802.15.4 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.15.4

2.  Введение в беспроводную технологию ZigBee стандарта 802.15.4 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://goo.gl/VHohyo

3.  Реализация беспроводных сенсорных сетей на основе технологии ZigBee стандарта 802.15.4 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://goo.gl/Z0G7HI

4.  Cпецификация сетевых протоколов верхнего уровня [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/ZigBee

5.  Сети ZigBee. Зачем и почему? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habrahabr.ru/post/155037/

6.  IEEE 802.15.4 и его программная надстройка ZigBee [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.telemultimedia.ru/art.php?id=292